1、汽车后桥壳机械胀形方案设计与有限元模拟摘要：近几年来，我国的国民经济高速发展，与此同时，作为国民经济的支柱产业 ，汽车制造业也得到了迅猛的发展，超过美国，成为世界第一产销国。汽车的桥壳是整车的一个非常重要部件，它的质量对整车的性能响很大，因此对桥壳生产工艺进行有效的优化、改进是非常必要的。 关键词：机械后桥壳，机械胀形，数值模拟 中图分类号： U652.7+2 文献标识码： A 1 前言 驱动桥是汽车和轮式工程机械底盘传动系的主要组成部分，而桥壳则是驱动桥的基体，它将车辆重量传给车轮，又将作用在车轮上的各种力传到车架上，因此，桥壳是车辆的主要受力部件，应有足够的强度和刚度。同时，还应结构简单，
2、成本较低，质量轻，易于拆装和维护。汽车桥壳的生产方法有很多种，有液压成形工艺、冲压焊接成形工艺、整体铸造成形工艺和机械胀形工艺，其中机械胀形工艺分为机械常温胀形工艺和机械热胀成形工艺。桥壳的实际生产要求尽量降低成本，保证其机械性能，同时还要尽量缩短研发周期。有限元模拟与实际经验相结合能行而有效的解决上述问题，并且有助于新工艺、新技术的研究更加迅速 地发展。 2 机械胀形与有限元理论 2.1 机械胀形工艺简介 机械胀形工艺是一种新兴的加工方法，与挤压成形有相似的地方，都是通过介质或模具对工件作用。实际生产中的胀形主要是对管材进行加工，在适当位置对管材进行开孔（一般采用冲孔或者切割方法） ，孔的尺
3、寸要根据图纸要求确定。有的胀形方法中不需要放入扩胀芯，直接利用凸模对管材孔进行胀形，主要是利用凸模随着高度增加截面形状尺寸发生变化，这种尺寸上的变化在加工过程中会导致与之接触的坯料在极小区域内的金属因为所接触的凸模截面尺寸不同而发生相运动，产生相对位移，宏观上就是产生变形，进而实现对工件的加工；而有的胀形方法需要在管材孔中放入扩胀芯，然后利用凸模截面形状尺寸变化对扩胀芯作用，使扩胀芯运动，扩胀芯与管材接触，通过扩胀芯的运动使管材发生变形，对管材进行扩张变形，从而得到所需要的加工形状及尺寸。 胀形方法种类很多，如果按照模具可将胀形分为软模和刚性模胀形两种。按照胀形成形条件的不同，可以分为自然、轴
4、向压缩及复合胀形三类。 2.2 机械胀形工艺难点 机械胀形的工艺难点主要在于管材、模具及工艺参数的确定。管材参数确定主要包括两方面，分 别是材质和形状尺寸。模具参数除了材质，主要是指模具形状尺寸，有些位置结合实际需要还要进行特殊处理，确定主要由坯料和工件尺寸，加工方法，以及加工过程来确定。工艺参数有很多，其中比较主要的包括加工温度、加工速度。 2.3 有限元法介绍 有限元方法最早起源于结构分析的研究中，正是因为有限元的理论依据具有普遍性，在各个工程领域中的许多问题的求解都可以使用，甚至可以求解任何具有连续介质和场的问题，如流体力学、传热、电磁场等。有限元法是将数学方法和工程问题相结合而得到的一
5、种数值计算方法，根据变分原理来解决数学物理问题，其解决问题能力远远超过解析法。由于有限元法灵活性很大，因此形状结构复杂和边界条件不规则的结构都可以通过它进行分析求解，适当的增加单元个数，便能精确所求出的近似解。 3 桥壳的尺寸要求与机械胀形方案设计 3.2 两种桥壳的尺寸和技术要求 本文的典型件桥壳选取的材料为 16CrMo4，壁厚为 16mm，中间开孔形状为圆角方形，如图 3-1 所示。 图 3-1 桥壳图纸 3.3 管材坯料的形状尺寸设计计算 管材坯料选择热轧无缝方管坯，第一种桥壳选择截面形状尺寸为160m148mm16mm 的方管，倒圆角半径为 25mm。管材坯料的槽孔尺寸计算如下：根据
6、图纸可以计算成形后琵琶孔的周长，为方便计算，将其近似为六边形，取两条平行边边长为 a1，其余四条边为 b1，则周长为 L1=2a+4b 由图纸得，a=160mm，b=195mm，故 L=1100mm。 桥壳琵琶孔有宽度为 28.5mm 的内沿，在变形过程中，该宽度并不发生变化。取管的厚度为 x1，内沿为 y1，管的宽度为 z1，则槽孔的宽度为 M=z-2x-2y 由图纸得，z=148mm，x=28.5mm，y=16mm，故 M=59mm。 为方便胀形后将琵琶形的孔焊成圆角方形，胀形后的斜边要接近一条直线，所以槽孔的两端需有一定的斜度并采用较小的圆角过渡，但不能采用尖角相交，否则在胀形的过程中引
7、起应力集中，而产生裂纹。故在槽孔的两端采用半径为 5mm 的圆弧进行过渡。如图 3-2 所示。 图 3-2 管坯三维图 3.4 机械胀形方案设计 机械胀形按照加工温度区分可分为机械冷胀成形和机械热胀成形两种工艺。冷胀成形是指温度在常温下所进行的胀形加工工艺，而热胀成形则是在高温条件下。由于本文的两种桥壳需要的变形力并不是很大，从降低生产成本的因素考虑，选择冷胀成形工艺。按照有无芯块可将机械胀形工艺分为有芯块胀形和无芯块胀形。 按照有无芯块可将机械胀形工艺分为有芯块胀形和无芯块胀形。其中有芯块胀形主要是利用凸模（凸模、锥形杆等）与芯块作用，使芯块在轴向或径向发生移动，从而作用于工件，使工件变形。
8、工件变形速度取决于模具的速度，工件的变形尺寸及形状取决于模具和芯块的形状尺寸。无芯块胀形主要是模具与工件的直接作用，利用模具在轴向或径向上的尺寸变化，在加工过程中使工件发生相应的形状变化，进而得到产品。 楔形凸模胀形法的各类组装部件根据理论数据设计分为五部分别为 1.楔形凸模的设计、2.扩张芯的设计、3.凹模的设计、4.底板的设计、5.将各部分零件组装，装配图如 3-3 所示 图 3-3 三维装配图 新型内置机构机械胀形法设计了一种机械机构内置于管材的内部，通过在两端施加力的作用，使得内置的机构胀开，从而达到胀形的目的。这种内置机构主要包含三组成形形部分和四根芯轴组成，每一部分之间通过一根芯轴
9、相连。几何示意图如图 3-4 所示。装配图如图 3-5 所示。 图 3-4 几何原理示意图 图 3-5 内置机构俯视图 桥壳的尺寸和技术要求，介绍了桥壳的无芯块机械胀形成形工艺，详细地介绍了楔形凸模胀形法成形原理，并利用直观三维造型软件对各部件进行了设计，并对传统的凹模进行了改进和简化，降低了模具的加工难度和生产成本，并展示了楔形凸模胀形法模具的装配图。这种方法避免了压力机行程过长的问题，避免了其他方法中不必要的纵向的压力，简化了生产流程，提高了生产效率。 4 桥壳机械胀形成形工艺数值模拟 4.1 桥壳的凸模载荷分析 凸模是沿着 x 轴方向平动，故在 DEFORM-3D 模拟软件后处理中选择凸
10、模的 x 轴方向行程 载荷曲线，将数据导出.为了提高计算精度和减少计算时间，选取 1/8 管坯进行计算，因此，导出的载荷应乘以 4，即为一个凸模的载荷。利用 Oringn 软件作出凸模的行程 载荷曲线。两种规格桥壳的行程载荷曲线如图 4-6 所示。 图 4-6 第一种规格桥壳机械胀形凸模行程 载荷图 4.2 变形过程中等效速度场分析 在 DEFORM-3D 后处理模块中，可以进行速度场分析，通过对速度场的分析，一方面可知得到管坯金属流动方向，另一方面还可以获得金属流动速度的相对大小。 由于两种规格的管材机械胀形的过程和原理相似，故选择本管材胀形作为主要的研究对象进行分析。在 DEFORM-3D
11、 后处理模块中，可以进行速度场分析，通过对速度场的分析，一方面可知得到管坯金属流动方向，另一方面还可以获得金属流动速度的相对大小。变形过程中等效速度场如图 4-7 所示，在加工尚未开始时各点速度相同，均为 0。在凸模开始运动后，凸模对与之接触的管材作用，宏观上使管材发生变形，微观上则是促使这部分管材内的金属运动，运动方向由凸模以及管材与凸模的接触方式决定。当加工工步为 5 时，金属有明显的流动方向，而且不同位置流动速度不同，在与凸模接触及周边区域金属流动速度较大，速度最大处集中在琵琶孔中心的位置，这片区域受到了两侧的压，金属流动最快，而流动速度较小的区域则分布在两侧变形很小几乎不发生变形区域。随着加工的进行，管材切口与凸模接触面积增加，金属流动速度较大的区域也随之增大，由此可知变形较为明显的区域有所增加。 图 4-7 机械胀形过程中的速度分布 5 结束语 本文主要针对两种规格桥壳的机械胀形成形工艺和缩径工艺进行研究，介绍了工艺原理，设计了机械胀形工艺及缩径的方案，并完成了对模具尺寸和坯料的设计。利用有限元模拟软件 DEFORM3D 对加工过程进行了模拟，并且对加工过程中金属的流动规律做了总结。
